第一章 金屬材料的力學(xué)性能

第一章金屬材料的力學(xué)性能第一節(jié)強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性第二節(jié)硬度第三節(jié)沖擊韌性第四節(jié)斷裂韌度第五節(jié)疲勞長春工程學(xué)院

材料的性能是表征材料在外界條件作用下的行為。

材料的性能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:

1.使用性能：2.工藝性能：長春工程學(xué)院金屬材料的性能1）使用性能—力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。

力學(xué)性能（機(jī)械性能）—材料在不同環(huán)境因素下抵抗外加載荷作用的能力。

(強(qiáng)度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞等)2）工藝性能：在各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能。

(鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能)長春工程學(xué)院第一節(jié)強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性靜載荷——是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較?。ㄒ话阈∮?.01mm/s）。動載荷——（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷。長春工程學(xué)院一、低碳鋼應(yīng)力——應(yīng)變曲線標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB228—2002）L0——試樣原始標(biāo)距長度（mm）d0——試樣的原始直徑（mm）長試樣L0=10d0

；短試樣L0=5d0長春工程學(xué)院靜拉伸試驗(yàn)機(jī)長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院1、低碳鋼拉伸曲線長春工程學(xué)院曲線分為四階段：1．彈性變形階段Ⅰ拉力加大到Fp時(shí),為直線階段。長春工程學(xué)院2．階段Ⅱ屈服變形屈服拉力：Fs長春工程學(xué)院3．階段III為較均勻的塑性變形階段Fb為材料所能承受的最大載荷

長春工程學(xué)院4．階段IV局部集中塑性變形出現(xiàn)頸縮→斷裂長春工程學(xué)院2、低碳鋼應(yīng)力——應(yīng)變曲線σ=F/A0ε=ΔL/L0ΔL=Lk－L0

低碳鋼拉伸曲線長春工程學(xué)院低碳鋼應(yīng)力——應(yīng)變曲線長春工程學(xué)院彈性變形——是指當(dāng)外力解除后變形能夠全部消除恢復(fù)原狀的變形。彈性模量——材料產(chǎn)生單位彈性變形所需應(yīng)力。

E=σ/ε=tgα材料剛度——工程上表征材料抵抗彈性變形能力。二、剛度和彈性

1、彈性模量長春工程學(xué)院彈性極限

σe=Fe/A0物理意義——材料在不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值。（極）微量塑性變形零件設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù)。2、彈性極限

長春工程學(xué)院強(qiáng)度——是指在外力作用下，材料抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）：σs=Fs/A0物理意義——材料在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，即材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。三、材料的強(qiáng)度

1、屈服點(diǎn)σs長春工程學(xué)院許多材料在受力時(shí)無明顯屈服點(diǎn)，如中高碳鋼、合金鋼和有色合金材料等。將發(fā)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。長春工程學(xué)院2、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度

σb=Fb/A0物理意義——材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值，表示材料抵抗斷裂的能力。屈強(qiáng)比

σs/σb

材料的屈強(qiáng)比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高。長春工程學(xué)院四、材料的塑性

1、伸長率δ材料塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。伸長率δ：試樣拉斷后標(biāo)距長度的相對伸長值。

短試樣的伸長率記為δ5（L0=5d0）長試樣的伸長率記為δ10或δ（L0=10d0）對于同一種塑性材料δ5>δ10

長春工程學(xué)院

2、斷面收縮率ψ斷面收縮率ψ：是指試樣拉斷后斷口處橫截面積的相對收縮值。斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)；金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。長春工程學(xué)院屈服強(qiáng)度σsorσ0.2抗拉強(qiáng)度σb剛度E彈性極限σe塑性δ,ψ長春工程學(xué)院第二節(jié)硬度硬度是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)，是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說抵抗硬物壓入的能力。重要零件或零件的重要部位大多規(guī)定硬度值：（1）硬度測量簡便迅速，不需做試樣,不需破壞試件；（2）多數(shù)金屬材料抗拉強(qiáng)度可根據(jù)硬度值進(jìn)行估算；（3）硬度與材料的加工性能存在一定的聯(lián)系。硬度計(jì)種類：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）長春工程學(xué)院

一、布氏硬度（HB）物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力。長春工程學(xué)院布氏硬度測量原理及計(jì)算圖3布氏硬度原理圖工件壓頭長春工程學(xué)院

布氏硬度的表示方法標(biāo)準(zhǔn)寫法：布氏硬度值，布氏硬度符號，測試條件（壓頭直徑mm/試驗(yàn)力kgf/試驗(yàn)力作用時(shí)間s）。如：200HBS2.5/187.5/30簡單寫法：200HBS淬火鋼球壓頭HBS—最大有效測量值為450HBS硬質(zhì)合金壓頭HBW—最大有效測量值為650HBW

長春工程學(xué)院二、洛氏硬度（HR）洛氏硬度是以壓頭壓入金屬材料的壓痕深度來表征材料的硬度。壓頭：1）錐頂角為120°的金剛石圓錐；2）Ф1.588mm的淬火鋼球。壓痕的深度直接可用百分表測出來，不需另外的測量和計(jì)算，十分方便，效率高，是實(shí)際生產(chǎn)中使用最普遍的一種硬度測量方法。長春工程學(xué)院洛氏硬度計(jì)洛氏硬度測量原理h為壓痕深度金剛石壓頭k=0.2

剛球壓頭k=0.26P0為初載荷P1為主載荷P=P0+P1圖4洛氏硬度原理圖h長春工程學(xué)院三種洛氏硬度試驗(yàn)條件標(biāo)值壓頭類型初載荷（kgf）總載荷（kgf）測試范圍應(yīng)用舉例HRA1200金剛石圓錐106020~88硬質(zhì)合金、表面淬硬層、滲碳層HRBφ1.588mm淬火鋼球1010020~100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐1015020~70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼☆總載荷=初載荷+主載荷長春工程學(xué)院維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕三、維氏硬度（HV）長春工程學(xué)院維氏硬度原理（HV）1、維氏硬度：以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測量方法。2、維氏硬度定義：與布氏硬度相同，即壓痕表面上單位面積所承受的壓力。3、硬度值計(jì)算公式：圖5維氏硬度原理圖長春工程學(xué)院布氏硬度——壓痕面積大，代表性好（準(zhǔn)確），效率低；適合測試硬度較低的材料；不適合測量薄件和成品件。洛氏硬度——壓痕面積小，代表性較差，通常要取三點(diǎn)平均值作為測試結(jié)果；測試極為方便，最為常用；一般用于較高硬度的測量。維氏硬度——非常準(zhǔn)確；從低硬度到高硬度均可測量；測試設(shè)備昂貴，科學(xué)研究用該方法較多。各種硬度值可進(jìn)行粗略換算：三種硬度測試方法優(yōu)缺點(diǎn)HBW≈HV≈10HRC長春工程學(xué)院第三節(jié)沖擊韌性靜載荷——是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較小時(shí)的載荷（一般是小于0.01mm/s）。動載荷——（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度較快的沖擊載荷，鍛床、沖床等。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷，如軸、彈簧、齒輪等。長春工程學(xué)院一、沖擊韌性沖擊韌性：金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。用沖擊吸收功來衡量材料的沖擊韌性。計(jì)算公式：沖擊韌度：Ak=mgΔH長春工程學(xué)院

擺錘沖擊試驗(yàn)長春工程學(xué)院試樣種類尺寸：

10mm×10mm×55mm

無缺口V型缺口U型缺口長春工程學(xué)院對于一般常用鋼材來說，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。沖擊韌度除了用來表征材料的韌性大小外，還用來測量韌脆轉(zhuǎn)變溫度。沖擊韌度反映材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量。二、沖擊試驗(yàn)應(yīng)用長春工程學(xué)院韌脆轉(zhuǎn)變溫度長春工程學(xué)院DuctileandBrittleFracturesDuctilefractureBrittleFracture39長春工程學(xué)院1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂第四節(jié)斷裂韌度材料在屈服強(qiáng)度以下發(fā)生的斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。

材料中總是存在缺陷，在應(yīng)力作用下，裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，就會發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌度。長春工程學(xué)院一、裂紋擴(kuò)展形式ModeⅠ：張開型ModeⅡ：滑開型ModeⅢ：撕開型長春工程學(xué)院材料存在缺陷，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，可把缺陷看成是材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力場。在材料承受載荷后，可能導(dǎo)致已有微裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸到達(dá)某個(gè)臨界值時(shí)突然斷裂。長春工程學(xué)院

二、應(yīng)力場強(qiáng)度因子與斷裂韌度裂紋的尖端前沿存在應(yīng)力集中，形成裂紋尖端的應(yīng)力場，大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K1來描述：應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用KIc表示。它反應(yīng)材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷裂的能力，是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。K1=Yσ√a長春工程學(xué)院式中σc-裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的斷裂應(yīng)力

ac-裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的臨界裂紋尺寸1.測定KIc和ac后，可確定σc，為載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2.已知KIc和臨界工作應(yīng)力σc

，可確定最大裂紋尺寸ac。3.根據(jù)σc及ac

，可確定材料應(yīng)有的斷裂韌度KIc

正確選材料。三、斷裂韌度及應(yīng)用長春工程學(xué)院第五節(jié)疲勞強(qiáng)度疲勞：工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，稱之為疲勞斷裂。長春工程學(xué)院軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）長春工程學(xué)院一、疲勞強(qiáng)度的測試在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，用較多的試棒，在不同交變載荷下進(jìn)行試驗(yàn)，作出疲勞曲線。長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院一、疲勞強(qiáng)度的測試疲勞極限：材料經(jīng)交變應(yīng)力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)金屬材料的疲勞曲線（S-N曲線）示意圖鋼鐵材料有色金屬長春工程學(xué)院應(yīng)力循環(huán)對稱因數(shù)：

γ=-1疲勞強(qiáng)度σ-1

（軸類所受到的交變彎曲應(yīng)力）

脈動循環(huán)交變應(yīng)力：

γ=0疲勞強(qiáng)度σ0

（齒輪齒根受到的循環(huán)彎曲應(yīng)力）

工程上規(guī)定，對于鋼鐵材料N0為107次；有色金屬材料為108次,腐蝕性介質(zhì)作用下為106次。二、疲勞曲線與疲勞極限長春工程學(xué)院三、其他疲勞低周疲勞：承受交變應(yīng)力較高，加載頻率較低，并經(jīng)受循環(huán)次數(shù)較低；沖擊疲勞：多次沖擊載荷引起的損傷積累和裂紋擴(kuò)展；熱疲勞：溫度循環(huán)變化而產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞；接觸疲勞：接觸表面在接觸應(yīng)力的長期作用下表面產(chǎn)生的小片金屬剝落；腐蝕疲勞：腐蝕性介質(zhì)中承受變動載荷所產(chǎn)生的疲勞。長春工程學(xué)院四、影響因素及提高疲勞極限的途徑疲勞強(qiáng)度的影響因素：1）材料本身的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)；2）表面粗糙度和應(yīng)力狀態(tài)。提高零件疲勞強(qiáng)